(57)【要約】  ＤＦＢ単一モード用途とハイパワー用途との両方に向けて設計されるインターバンドカスケードレーザの光学的損失を顕著に低下させ且つパワー変換効率を向上させることになる、新規なＩＣＬレイヤリング設計、リッジ導波路アーキテクチャ、及び加工プロトコルである。半導体トップクラッド及び金属コンタクト層は、排除又は顕著に低減される。代わりに、横方向電流注入及び弱屈折率導波と併せて、誘電体又は空気のトップクラッド、あるいは薄いトップクラッドを補うべく誘電体又は空気の層を用いることにより、本発明は、このようなＩＣＬの内部損失を実質的に低減し、結果的に、より低いレージング閾値、より高い効率、及びより高い最大パワーをもたらすことになる。【選択図】図３Ｃ
2019519120.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
成長したトップクラッド層を全く有しないか、又は薄い成長したトップクラッド層を有する弱屈折率導波狭リッジインターバンドカスケードレーザ（ＩＣＬ）であって、
半導体チップであって、
ＧａＳｂ又はＩｎＡｓ基板と、
３〜１５のＩＣＬ利得ステージを備える活性コアと、
前記基板と前記活性コアとの間に配置され、前記活性コアの屈折率よりも低い屈折率を有する、ボトム光学クラッド層と、
前記活性コアの上に配置され、０〜５００ｎｍの厚さを有し、且つ前記活性コアの屈折率よりも低い屈折率を有する、トップ光学クラッド層と、
前記トップ光学クラッド層上に配置される薄い、重度にｎドープされたトップコンタクト層と、
前記重度にｎドープされたトップコンタクト層上に配置され、前記活性コアの屈折率よりも高い屈折率を有する、トップ屈折率導波層と、
を備える、半導体チップと、
前記半導体チップの一部の上に形成された内側リッジであって、
前記内側リッジは、前記半導体チップ上のパターン形成された領域により、及び前記内側リッジの外部の前記半導体チップの領域において前記重度にｎドープされたコンタクト層を露出するべく前記トップ屈折率導波層の除去により画定される、内側リッジと、
前記半導体チップの上部並びに前記内側リッジの上部及び側部に堆積される誘電体層であって、
前記誘電体層は、前記内側リッジの少なくとも一方の側部の前記半導体チップにコンタクト開口部を形成するべくパターン形成される、誘電体層と、
前記パターン形成された誘電体上に堆積される金属層であって、
前記金属層は、前記トップコンタクト層へのトップ電気コンタクトをなし、前記金属層及び前記トップコンタクト層は、前記トップ電気コンタクトと前記内側リッジとの間の途切れのない電気接続をなす、金属層と、
を備える、ＩＣＬであり、
前記誘電体層は、前記ＩＣＬの屈折率導波トップクラッド層の少なくとも一部を含み、
前記ＩＣＬは、前記内側リッジの両側の前記半導体チップに沿ってイオン衝撃領域をさらに含み、前記ＩＣＬは、前記イオン衝撃領域での垂直方向の電流の流れを強く抑制するのに十分なイオンエネルギー及びドーズのイオン衝撃を受け、前記イオン衝撃領域は、少なくとも前記衝撃を受けた材料における電流拡散距離へ前記内側リッジの両側で横方向に延びる、ＩＣＬ。
【請求項２】
前記ボトム光学クラッド層と前記活性コアとの間に配置されるボトムＧａＳｂ又はＩｎＡｓ分離閉じ込め層（ＳＣＬ）をさらに備える、
請求項１に記載のＩＣＬ。
【請求項３】
前記活性コアと前記トップコンタクト層との間に配置されるトップＩｎＡｓ又はＧａＳｂ分離閉じ込め層（ＳＣＬ）をさらに備える、
請求項１に記載のＩＣＬ。
【請求項４】
前記活性コアと前記トップコンタクト層との間に配置される薄いトップクラッド層をさらに備え、
前記薄いトップクラッド層が、前記ＩＣＬのトップクラッド層の少なくとも一部をなす、
請求項１に記載のＩＣＬ。
【請求項５】
前記内側リッジが約５〜２５μｍの幅を有する、請求項１に記載のＩＣＬ。
【請求項６】
前記誘電体層が、約５００ｎｍの厚さを有するＳｉＮ層を備える、請求項１に記載のＩＣＬ。
【請求項７】
前記トップ屈折率導波層が、前記内側リッジ上の前記誘電体層の上面に堆積されるＧｅ層を備える、請求項１に記載のＩＣＬ。
【請求項８】
前記トップ屈折率導波層が、前記内側リッジ上の前記誘電体層の上面に堆積されるｎ−−ＧａＳｂ層を備える、請求項１に記載のＩＣＬ。
【請求項９】
前記トップ屈折率導波層に分布帰還（ＤＦＢ）グレーティングがパターン形成される、請求項１に記載のＩＣＬ。
【請求項１０】
前記トップコンタクト層がｎ＋−ＧａＳｂを含み、前記金属層がＣｒ、Ｓｎ、Ｐｔ、及びＡｕのうちの１つ以上を含む、請求項１に記載のＩＣＬ。
【請求項１１】
前記トップコンタクト層がｎ＋−ＩｎＡｓ又はｎ＋−ＩｎＡｓ（Ｓｂ）を含み、前記金属層がＴｉ、Ｐｔ、及びＡｕのうちの１つ以上を含む、請求項１に記載のＩＣＬ。
【請求項１２】
前記ＩＣＬがエピタキシャル−サイドアップにマウントされる、請求項１に記載のＩＣＬ。
【請求項１３】
前記ＩＣＬがエピタキシャル−サイドダウンにマウントされる、請求項１に記載のＩＣＬ。
【請求項１４】
成長したトップクラッド層を全く有しないか、又は薄い成長したトップクラッド層を有する弱屈折率導波狭リッジインターバンドカスケードレーザ（ＩＣＬ）であって、
半導体チップであって、
ＧａＳｂ又はＩｎＡｓ基板と、
３〜１５のＩＣＬ利得ステージを備える活性コアと、
前記基板と前記活性コアとの間に配置され、前記活性コアの屈折率よりも低い屈折率を有する、ボトム光学クラッド層と、
前記活性コアの上に配置され、０〜５００ｎｍの厚さを有し、且つ前記活性コアの屈折率よりも低い屈折率を有する、トップ光学クラッド層と、
前記トップ光学クラッド層上に配置される薄い、重度にｎドープされたトップコンタクト層と、
前記重度にｎドープされたトップコンタクト層上に配置され、前記活性コアの屈折率よりも高い屈折率を有する、トップ屈折率導波層と、
を備える、半導体チップと、
前記半導体チップの一部の上に形成された内側リッジであって、
前記内側リッジは、前記半導体チップ上のパターン形成された領域により、及び前記内側リッジの外部の前記半導体チップの領域において前記重度にｎドープされたコンタクト層を露出するべく前記トップ屈折率導波層の除去により画定される内側リッジと、
前記半導体チップの上に堆積され、前記内側リッジの上部が空気に曝されるように誘電体層が前記内側リッジの側部だけを覆うようにパターン形成される誘電体層であって、
前記誘電体層は、前記内側リッジの少なくとも一方の側部の前記半導体チップにコンタクト開口部を形成するべくパターン形成される、誘電体層と、
前記パターン形成された誘電体上に堆積される金属層であって、
前記金属層は、前記トップコンタクト層へのトップ電気コンタクトをなし、前記金属層及び前記トップコンタクト層は、前記トップ電気コンタクトと前記内側リッジとの間の途切れのない電気接続をなす、金属層と、
を備える、ＩＣＬであり、
前記空気は、前記ＩＣＬのトップクラッド層の少なくとも一部を含み、
前記ＩＣＬは、前記内側リッジの両側の前記半導体チップに沿ってイオン衝撃領域をさらに含み、前記ＩＣＬは、前記イオン衝撃領域での垂直方向の電流の流れを強く抑制するのに十分なイオンエネルギー及びドーズのイオン衝撃を受け、前記イオン衝撃領域は、少なくとも前記衝撃を受けた材料における電流拡散距離へ前記内側リッジの両側で横方向に延びる、ＩＣＬ。
【請求項１５】
前記ボトム光学クラッド層と前記活性コアとの間に配置されるボトムＧａＳｂ又はＩｎＡｓ分離閉じ込め層（ＳＣＬ）をさらに備える、
請求項１４に記載のＩＣＬ。
【請求項１６】
前記活性コアと前記トップコンタクト層との間に配置されるトップＩｎＡｓ又はＧａＳｂ  ＳＣＬをさらに備える、
請求項１４に記載のＩＣＬ。
【請求項１７】
前記活性コアと前記トップコンタクト層との間に配置される薄いトップクラッド層をさらに備え、
前記薄いトップクラッド層が、前記ＩＣＬのトップクラッド層の少なくとも一部をなす、
請求項１４に記載のＩＣＬ。
【請求項１８】
前記内側リッジが約５〜２５μｍの幅を有する、請求項１４に記載のＩＣＬ。
【請求項１９】
前記誘電体層が、約５００ｎｍの厚さを有するＳｉＮ層を備える、請求項１４に記載のＩＣＬ。
【請求項２０】
前記内側リッジの幅にわたる空気ブリッジを形成するべく前記トップ屈折率導波層の上面よりも上の前記内側リッジにわたって延びる電気めっきされたＡｕ層をさらに備え、前記空気ブリッジは、前記内側リッジよりも上のＡｕ層に空隙を形成し、
前記空隙内の空気は、前記ＩＣＬの屈折率導波トップクラッド層の少なくとも一部として役立つ、請求項１４に記載のＩＣＬ。
【請求項２１】
前記トップ屈折率導波層が、前記内側リッジ上の前記誘電体層の上面に堆積されるＧｅ層を備える、請求項１４に記載のＩＣＬ。
【請求項２２】
前記トップ屈折率導波層が、前記内側リッジ上の前記誘電体層の上面に堆積されるｎ−−ＧａＳｂ層を備える、請求項１４に記載のＩＣＬ。
【請求項２３】
前記トップ屈折率導波層に分布帰還（ＤＦＢ）グレーティングがパターン形成される、請求項１４に記載のＩＣＬ。
【請求項２４】
前記内側リッジが、前記トップコンタクト層の上面に堆積されるドープされないエッチングストップ層をさらに含み、前記エッチングストップ層が前記基板と格子整合される、請求項１４に記載のＩＣＬ。
【請求項２５】
前記トップコンタクト層がｎ＋−ＧａＳｂを含み、前記金属層がＣｒ、Ｓｎ、Ｐｔ、及びＡｕのうちの１つ以上を含む、請求項１４に記載のＩＣＬ。
【請求項２６】
前記トップコンタクト層がｎ＋−ＩｎＡｓ又はｎ＋−ＩｎＡｓ（Ｓｂ）を含み、前記金属層がＴｉ、Ｐｔ、及びＡｕのうちの１つ以上を含む、請求項１４に記載のＩＣＬ。
【請求項２７】
前記ＩＣＬがエピタキシャル−サイドアップにマウントされる、請求項１４に記載のＩＣＬ。
【請求項２８】
前記ＩＣＬがエピタキシャル−サイドダウンにマウントされる、請求項１４に記載のＩＣＬ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
相互参照
本願は、２０１６年６月２４日に出願された米国特許仮出願第６２／３５４，１３３号及び２０１６年１０月２４日に出願された米国特許仮出願第６２／４１１，７０４号に基づく３５Ｕ．Ｓ．Ｃ．§１１９の下での優先権の利益を主張する非仮出願である。
【０００２】
本発明は、インターバンドカスケードレーザ（ＩＣＬ）の設計及び加工の修正に関する。
【背景技術】
【０００３】
インターバンドカスケードレーザは、中赤外（ここでは２．５〜７μｍとして定義されるｍｉｄ−ＩＲ）スペクトル領域に関する有望な半導体コヒーレント源であり、波長の増加と共に増加する内部損失を抑制することができれば、より長波長への拡張の可能性がある。
【０００４】
ＩＣＬは、サブバンド間ではなくバンド間活性遷移を採用するという点でｍｉｄ−ＩＲ量子カスケードレーザ（ＱＣＬ）とは異なる。バンド間遷移に関連するキャリア寿命は、サブバンド間遷移よりも３桁長く、これは最終的にＩＣＬでの１桁以上低い駆動パワーをもたらす。
【０００５】
ＩＣＬの基本概念は、１９９４年にＲｕｉ  Ｙａｎｇによって彼がトロント大学にいたときに提案され、その少し後に彼がヒューストン大学にいたときに特許された。米国特許第５，５８８，０８５号「Ｌｉｇｈｔ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｅｖｉｃｅｓ  Ｂａｓｅｄ  Ｏｎ  Ｉｎｔｅｒｂａｎｄ  Ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎｓ  Ｉｎ  Ｔｙｐｅ−ＩＩ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｗｅｌｌ  Ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ」（１９９８）参照。その後、正孔インジェクタを形成するべく１つよりも多い正孔井戸を含むなどの、基本ＩＣＬ構造への重要な改良が、本ＮＲＬ発明者らのうちの２人とＤｒ．Ｙａｎｇとの共同特許においてなされた。米国特許第５，７９９，０２６号「Ｉｎｔｅｒｂａｎｄ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｗｅｌｌ  Ｃａｓｃａｄｅ  Ｌａｓｅｒ，Ｗｉｔｈ  Ａ  Ｂｌｏｃｋｉｎｇ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｗｅｌｌ  Ｆｏｒ  Ｉｍｐｒｏｖｅｄ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ」（１９９８）参照。
【０００６】
この後に、多くのさらなる改良を導入した、本ＮＲＬ発明者らのうちの一部によるいくつかの他の特許が続いた。例えば、米国特許第５，７９３，７８７号「Ｔｙｐｅ  ＩＩ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｗｅｌｌ  Ｌａｓｅｒ  ｗｉｔｈ  Ｅｎｈａｎｃｅｄ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｍａｔｒｉｘ」（１９９８）、米国特許第５，７９９，０２６号「Ｉｎｔｅｒｂａｎｄ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｗｅｌｌ  Ｃａｓｃａｄｅ  Ｌａｓｅｒ  ｗｉｔｈ  ａ  Ｂｌｏｃｋｉｎｇ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｗｅｌｌ  ｆｏｒ  Ｉｍｐｒｏｖｅｄ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ」（１９９８）、米国特許第８，１２５，７０６号「Ｈｉｇｈ  Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  Ｉｎｔｅｒｂａｎｄ  Ｃａｓｃａｄｅ  Ｌａｓｅｒｓ」（２０１２）、米国特許第８，２９０，０１１号「Ｉｎｔｅｒｂａｎｄ  Ｃａｓｃａｄｅ  Ｌａｓｅｒｓ」（２０１２）、米国特許第８，３８５，３７８号「Ｉｎｔｅｒｂａｎｄ  Ｃａｓｃａｄｅ  Ｌａｓｅｒｓ」（２０１３）、及び米国特許第８，４９３，６５４号「Ｈｉｇｈ  Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  Ｉｎｔｅｒｂａｎｄ  Ｃａｓｃａｄｅ  Ｌａｓｅｒｓ」（２０１３）参照。これらの改良のうちの最も重要な１つは、電子インジェクタにおけるドープ密度を実質的に増加させることで活性ＱＷでの電子と正孔の密度の比を増加させ、これによりレージング閾値電流密度を低下させること（「キャリア・リバランシング」）であった。これは、ＩＣＬ動作に関する閾値パワーを室温で２９ｍＷほどの低さに劇的に低減させた。米国特許第８，７９８，１１１号「Ｉｎｔｅｒｂａｎｄ  Ｃａｓｃａｄｅ  Ｌａｓｅｒｓ  ｗｉｔｈ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｅｄ  Ｃａｒｒｉｅｒ  Ｄｅｎｓｉｔｉｅｓ」（２０１４）及び米国特許第９，０５９，５７０号「Ｉｎｔｅｒｂａｎｄ  Ｃａｓｃａｄｅ  Ｌａｓｅｒｓ  ｗｉｔｈ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｅｄ  Ｃａｒｒｉｅｒ  Ｄｅｎｓｉｔｉｅｓ」（２０１５）参照。
【０００７】
ＩＣＬは、電子及び正孔インジェクタによって分離される複数の活性利得ステージを有する。最も一般的には、利得をもたらす活性光学遷移は、電子及び正孔波動関数が隣接する電子（例えば、ＩｎＡｓ）及び正孔（例えば、ＧａＩｎＳｂ）のＱＷにおいてピークとなる、空間的に間接（タイプＩＩ型）であるが、それらは電子及び正孔波動関数が同じ層（例えば、ＩｎＧａＡｓＳｂ）においてピークとなる、空間的に直接（タイプＩ型）の場合もある。上記の米国特許第５，７９９，０２６号及び米国特許第９，０５９，５７０号参照。
【０００８】
ＩＣＬにこれまで適用されたレーザリッジ導波路及びコンタクトアーキテクチャのほとんどは、半導体レーザ業界では公知の一般原理に従うものであった。光閉じ込めをもたらすために、ほとんどのＩＣＬは、活性利得ステージの上及び下に、中程度にｎドープされたＩｎＡｓ／ＡｌＳｂ超格子クラッド層を採用する。ほとんどの設計は、活性利得領域とトップ及びボトムクラッド層との間に、軽度にｎドープされたＧａＳｂからなるトップ及びボトム分離閉じ込め層（ＳＣＬ）も挿入する。普通は、ボトムＧａＳｂ基板及びバッファ層、ボトムクラッド層、ボトムＳＣＬ、３〜１５の活性利得ステージ、トップＳＣＬ、トップ光学クラッド層、及び電気コンタクトのための重度にドープされたキャップに加えて、１つの領域から次の領域への電気輸送を支援するべく種々の領域間に挿入される薄い遷移超格子を含む典型的なＩＣＬレイヤリング設計が、例えば、Ｉ．Ｖｕｒｇａｆｔｍａｎ，Ｒ．Ｗｅｉｈ，Ｍ．Ｋａｍｐ，Ｊ．Ｒ．Ｍｅｙｅｒ，Ｃ．Ｌ．Ｃａｎｅｄｙ，Ｃ．Ｓ．Ｋｉｍ，Ｍ．Ｋｉｍ，Ｗ．Ｗ．Ｂｅｗｌｅｙ，Ｃ．Ｄ．Ｍｅｒｒｉｔｔ，Ｊ．Ａｂｅｌｌ，ａｎｄ  Ｓ．Ｈｏｆｌｉｎｇ，”Ｉｎｔｅｒｂａｎｄ  Ｃａｓｃａｄｅ  Ｌａｓｅｒｓ”／．Ｐｈｙｓ．Ｄ  ４８，１２３００１（２０１５）で十分に説明される。
【０００９】
ｎ−−ＧａＳｂトップ及びボトムＳＣＬの主な役割は、レージングモードの大部分を、活性利得ステージ又は光学クラッド層のいずれかよりも低損失の領域に配置することである。それでもなお、クラッド層における自由キャリア吸収は、これらの層が電流注入に適した電気輸送をもたらすのに十分に重度にドープされなければならないため、純内部損失に寄与する。さらに、後述するように、レージングモードが、リッジ導波路の上へ又はリッジ導波路の上に堆積される誘電体層へエッチングされる分布帰還（ＤＦＢ）グレーティングに強く結合しなければならないときに、損失が実質的に増加することがある。
【００１０】
単一スペクトルモードで放射する分布帰還型（ＤＦＢ）インターバンドカスケードレーザは、化学センシング及び他の用途に用いるための魅力的なｍｉｄ−ＩＲソースである。３から６μｍまでの間の波長範囲にわたるＤＦＢ  ＩＣＬが、市販の製品として最近入手可能となっている。ｈｔｔｐ：／／ｎａｎｏｐｌｕｓ．ｃｏｍ／ｅｎ／ｐｒｏｄｕｃｔｓ／ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ−ｆｅｅｄｂａｃｋ−ｌａｓｅｒｓ／ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ−ｆｅｅｄｂａｃｋ−ｌａｓｅｒｓ−３０００−ｎｍ−６０００−ｎｍ／参照。しかしながら、今日まで報告されたＤＦＢ  ＩＣＬのいずれも、非ＤＦＢ  ＩＣＬのパワー変換効率に近いパワー変換効率を示していない。例えば、Ｍ．Ｋｉｍ，Ｗ．Ｗ．Ｂｅｗｌｅｙ，Ｃ．Ｌ．Ｃａｎｅｄｙ，Ｃ．Ｓ．Ｋｉｍ，Ｃ．Ｄ．Ｍｅｒｒｉｔｔ，Ｊ．Ａｂｅｌｌ，Ｉ．Ｖｕｒｇａｆｔｍａｎ，ａｎｄ  Ｊ．Ｒ．Ｍｅｙｅｒ，”Ｈｉｇｈ−Ｐｏｗｅｒ  Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ−Ｗａｖｅ  Ｉｎｔｅｒｂａｎｄ  Ｃａｓｃａｄｅ  Ｌａｓｅｒｓ  ｗｉｔｈ  １０  Ａｃｔｉｖｅ  Ｓｔａｇｅｓ，”Ｏｐｔ．Ｅｘｐｒ．２３，９６６４（２０１５）参照。
【００１１】
狭いスペクトル線で放射する半導体分布帰還型（ＤＦＢ）レーザを実現するための最も単純な幾何学的構造は、グレーティング領域への光学モードの侵入を可能にする低減された厚さを有するトップ光学クラッドを備える構造体の上面にグレーティングをエッチングすることである。例えば、Ｃ．Ｓ．Ｋｉｍ，Ｍ．Ｋｉｍ，Ｊ．Ａｂｅｌｌ，Ｗ．Ｗ．Ｂｅｗｌｅｙ，Ｃ．Ｄ．Ｍｅｒｒｉｔｔ，Ｃ．Ｌ．Ｃａｎｅｄｙ，Ｉ．Ｖｕｒｇａｆｔｍａｎ，ａｎｄ  Ｊ．Ｒ．Ｍｅｙｅｒ，”Ｍｉｄ−ｉｎｆｒａｒｅｄ  ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ−ｆｅｅｄｂａｃｋ  ｉｎｔｅｒｂａｎｄ  ｃａｓｃａｄｅ  ｌａｓｅｒｓ  ｗｉｔｈ  ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ−ｗａｖｅ  ｓｉｎｇｌｅ−ｍｏｄｅ  ｅｍｉｓｓｉｏｎ  ｔｏ  ８０℃，”Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．１０１，０６１１０４（２０１２）参照。
【００１２】
ＤＦＢレーザに用いられる一部の半導体材料系は、トップ光学クラッド層を完成させ且つ半導体に電流を注入するための低損失経路も提供するために、活性コアよりも低い屈折率を有する電気伝導性の半導体のオーバーグロースを可能にする。しかしながら、ＧａＳｂ又はＩｎＡｓ基板上に成長するインターバンドカスケードレーザ（ＩＣＬ）に関する適切なオーバーグロース能力は現在利用可能ではない。したがって、ＩＣＬに関して、グレーティング自体の上部が、トップ電気コンタクトを提供するためにメタライズされなければならない。結合係数は、トップクラッドの厚さと共に指数関数的に変化する。例えば、λ≒３．５μｍで放射するＩＣＬに関して、トップクラッドの厚さは、グレーティングへの光学的結合が非共振縦モードを抑制し且つ狭線幅の生成を保証するのに十分であるべき場合に、多くとも≒５００ｎｍに低減されなければならない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
したがって、この幾何学的構造の主な欠点は、オーバーグロースしたスペーサ層なしでは、レージングモードが金属コンタクトに侵入し、クラッドの厚さと共に同じく指数関数的に変化するさらなる光学的損失を導入することである。追加損失の大きさは、コンタクトメタライゼーションの方式に依存するが、従来のＴｉ／Ｐｔ／Ａｕコンタクトを有するＩＣＬに関する典型的な値は、少なくとも２〜３ｃｍ−１である。これは、組み合わされたすべての他のソースから生じる内部損失に相当するので、損失の多い金属とのモードオーバーラップは、スロープ効率及びウォールプラグ効率を必然的に低下させる。さらに、この損失は、４μｍより長波長で実質的に増加し得る。
【００１４】
ダブルメサを採用することもあるサイドグレーティングなどの代替的なＤＦＢの幾何学的構造が可能であるが、これらの手法は、グレーティングへの結合強度、加工／性能歩留まり、及び／又は最大単一モード出力パワー及び効率に関係した他の欠点を有する。Ｉｇｏｒ  Ｖｕｒｇａｆｔｍａｎ，Ｗｉｌｌｉａｍ  Ｗ．Ｂｅｗｌｅｙ，Ｃｈａｄｗｉｃｋ  Ｌ．Ｃａｎｅｄｙ，Ｃｈｕｌ  Ｓｏｏ  Ｋｉｍ，Ｍｉｊｉｎ  Ｋｉｍ，Ｃｈａｒｌｅｓ  Ｄ．Ｍｅｒｒｉｔｔ，Ｊｏｓｈｕａ  Ａｂｅｌｌ，ａｎｄ  Ｊｅｒｒｙ  Ｒ．Ｍｅｙｅｒ，”Ｉｎｔｅｒｂａｎｄ  Ｃａｓｃａｄｅ  Ｌａｓｅｒｓ  Ｗｉｔｈ  Ｌｏｗ  Ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ  Ｐｏｗｅｒｓ  ａｎｄ  Ｈｉｇｈ  Ｏｕｔｐｕｔ  Ｐｏｗｅｒｓ，”ＩＥＥＥ  Ｊ．Ｓｅｌ．Ｔｏｐｉｃｓ  Ｑｕａｎｔ．Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．１９，１２００１２０（２０１３）、及びＭｉｃｈａｅｌ  ｖｏｎ  Ｅｄｌｉｎｇｅｒ，Ｊｕｌｉａｎ  Ｓｃｈｅｕｅｒｍａｎｎ，Ｒｏｂｅｒｔ  Ｗｅｉｈ，Ｃｈｒｉｓｔｉａｎ  Ｚｉｍｍｅｒｍａｎｎ，Ｌａｒｓ  Ｎａｅｈｌｅ，Ｍａｒｃ  Ｆｉｓｃｈｅｒ，Ｊｏｈａｎｎｅｓ  Ｋｏｅｔｈ，Ｓｖｅｎ  Ｈｏｅｆｌｉｎｇ，ａｎｄ  Ｍａｒｔｉｎ  Ｋａｍｐ，”Ｍｏｎｏｍｏｄｅ  Ｉｎｔｅｒｂａｎｄ  Ｃａｓｃａｄｅ  Ｌａｓｅｒｓ  ａｔ  ５．２μｍ  ｆｏｒ  Ｎｉｔｒｉｃ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｎｓｉｎｇ，”ＩＥＥＥ  Ｐｈｏｔ．Ｔｅｃｈ．Ｌｅｔｔ．２６，４８０（２０１４）（サイドグレーティング）、並びに、Ｓ．Ｆｏｒｏｕｈａｒ，Ｃ．Ｂｏｒｇｅｎｔｕｎ，Ｃ．Ｆｒｅｚ，Ｒ．Ｍ．Ｂｒｉｇｇｓ，Ｍ．Ｂａｇｈｅｒｉ，Ｃ．Ｌ．Ｃａｎｅｄｙ，Ｃ．Ｓ．Ｋｉｍ，Ｍ．Ｋｉｍ，Ｗ．Ｗ．Ｂｅｗｌｅｙ，Ｃ．Ｄ．Ｍｅｒｒｉｔｔ，Ｊ．Ａｂｅｌｌ，Ｖｕｒｇａｆｔｍａｎ，ａｎｄ  Ｊ．Ｒ．Ｍｅｙｅｒ，”Ｒｅｌｉａｂｌｅ  ｍｉｄ−ｉｎｆｒａｒｅｄ  ｌａｔｅｒａｌｌｙ−ｃｏｕｐｌｅｄ  ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ−ｆｅｅｄｂａｃｋ  ｉｎｔｅｒｂａｎｄ  ｃａｓｃａｄｅ  ｌａｓｅｒｓ，”Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．１０５，０５１１１０（２０１４）（ダブルメサ）参照。
【００１５】
しかしながら、一般にＤＦＢ  ＩＣＬに関する大きな問題は、サイドグレーティングへのエバネッセント結合は本質的により弱いため、そして、トップグレーティングとの可能なより強い結合が、グレーティングの上に直接堆積されるコンタクト金属へのモード侵入に関連したより高い光学的損失を必然的に伴うため、グレーティングの結合強度がよくても限界に近い傾向があることである。ＤＦＢグレーティングへの限界に近い結合は、単一スペクトルモードで放射するレーザに関する歩留まり及び調整範囲の低下につながる。例えば、電子ビームリソグラフィではなく光リソグラフィの採用を可能にするべく加工の際の高い空間分解能の要件を緩和するのにより高次のグレーティングが望まれるときに、問題はさらに増幅される。
【００１６】
非ＤＦＢ設計に関して、トップコンタクトメタライゼーションへのモードのエバネッセント侵入に関連した光学的損失並びにその屈折率が活性利得ステージの屈折率よりも高いＧａＳｂ基板へのモードの漏れから生じる損失を最小にするためにレージングモードを十分に閉じ込めるのに十分なだけ光学クラッド層が厚いことが普通は好ましい。
【００１７】
しかしながら、ＤＦＢグレーティングが存在するとき、トップクラッド層は、レージングモードとグレーティングとの実質的なオーバーラップをもたらすのに十分なだけ薄くなければならない。上記のように、グレーティングの上にトップコンタクト金属を直接堆積することを要求する従来のＤＦＢ  ＩＣＬ設計では、レージングモードが損失の多い金属コンタクトへエバネッセントに侵入することから、これは内部損失を必然的に増加させる。
【００１８】
本発明者らの一部により出願された最近の特許出願は、コンタクト金属へのレージングモードの侵入に関連した高い損失を軽減するための、すなわち、上面全体ではなくリッジの上の一部にのみ金属コンタクトを堆積し（低減したコンタクトフィルファクタ）、次いで、ＩＣＬの強い電流拡散特徴により金属で覆われていない側方領域への電流注入をもたらすことによる方法を開示した。米国特許出願公開第２０１６／０３５９２９８号「Ｉｎｔｅｒｂａｎｄ  Ｃａｓｃａｄｅ  Ｌａｓｅｒｓ  ｗｉｔｈ  Ｌｏｗ−Ｆｉｌｌ−Ｆａｃｔｏｒ  Ｔｏｐ  Ｃｏｎｔａｃｔ  ｆｏｒ  Ｒｅｄｕｃｅｄ  Ｌｏｓｓ」参照。予備実施化では、この方法は、ＩＣＬテストデバイスのレージング閾値を効果的に低下させ、スロープ効率を増加させたことが確認された。
【００１９】
しかしながら、モードの一部がコンタクト金属に依然としてオーバーラップすることから、該手法は損失をゼロに低減させることはできない。低減したコンタクトフィルファクタであっても、残りのコンタクト領域とのモードオーバーラップにより生じる損失は、トップクラッド層が薄すぎる場合に過大となるので、トップ光学クラッド層の最小厚さへの限界もある。このことは、レージングモードとＤＦＢグレーティングとの最大結合係数に上限を課す。トップコンタクト金属とのモードオーバーラップを全くなくし、それにより、高い光学的損失のよくあるペナルティなしに、はるかにより強いグレーティングをもたらすことができることが好ましいであろう。
【００２０】
イオン衝撃は、いくつかの波長で放射するダイオードレーザにおける光学利得と電気伝導との両方を抑制するのに有用なツールであることが分かっているが、インターバンドカスケードレーザへのこの手法の効果的な応用を説明した研究はこれまでにない。ＩＣＬは、特に、利得をもたらすことを意図していない領域への横方向の電流注入を抑制することの難しさに関係する、他の半導体レーザとは異なる特別な困難を与える。ＮＲＬでの以前の実験は、イオン衝撃が、インターバンドカスケードレーザ構造体におけるレージング及び光ルミネセンスを十分に抑制できることを確認した。Ｃ．Ｓ．Ｋｉｍ，Ｍ．Ｋｉｍ，Ｗ．Ｗ．Ｂｅｗｌｅｙ，Ｊ．Ｒ．Ｌｉｎｄｌｅ，Ｃ．Ｌ．Ｃａｎｅｄｙ，Ｊ．Ａ．Ｎｏｌｄｅ，Ｄ．Ｃ．Ｌａｒｒａｂｅｅ，Ｉ．Ｖｕｒｇａｆｔｍａｎ，ａｎｄ  Ｊ．Ｒ．Ｍｅｙｅｒ，”Ｂｒｏａｄ−Ｓｔｒｉｐｅ，Ｓｉｎｇｌｅ−Ｍｏｄｅ，Ｍｉｄ−ＩＲ  Ｉｎｔｅｒｂａｎｄ  Ｃａｓｃａｄｅ  Ｌａｓｅｒ  ｗｉｔｈ  Ｐｈｏｔｏｎｉｃ−Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ−Ｆｅｅｄｂａｃｋ  Ｇｒａｔｉｎｇ，”Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．９２，０７１１１０（２００８）参照。しかしながら、ＩＣＬでの横方向の電気伝導を顕著に低減するＮＲＬの試みは成功しなかった。インターバンドカスケードレーザ特性に対するイオン衝撃の影響を調査するどのような以前の実験も我々は知らない。
【００２１】
ＩＣＬ加工歩留まりにしばしば影響する別の問題は、リッジを画定する反応性イオンエッチングプロセスによって受ける損傷に起因する、狭リッジの側壁での電流漏れである。ＮＲＬは、ＣＨ４／Ｃｌ２ベースとＢＣｌ３ベースとの両方の誘導結合プラズマ反応性イオンエッチングプロセスを採用した。Ｍ．Ｋｉｍ，Ｃ．Ｓ．Ｋｉｍ，Ｗ．Ｗ．Ｂｅｗｌｅｙ，Ｃ．Ｄ．Ｍｅｒｒｉｔｔ，Ｃ．Ｌ．Ｃａｎｅｄｙ，Ｊ．Ａｂｅｌｌ，Ｉ．Ｖｕｒｇａｆｔｍａｎ，ａｎｄ  Ｊ．Ｒ．Ｍｅｙｅｒ，”Ｉｎｔｅｒｂａｎｄ  Ｃａｓｃａｄｅ  Ｌａｓｅｒｓ  ｗｉｔｈ  Ｈｉｇｈ  ＣＷ  Ｐｏｗｅｒ  ａｎｄ  Ｂｒｉｇｈｔｎｅｓｓ，”Ｐｒｏｃ．ＳＰ１Ｅ  ９３７０，９３７００２９（２０１５）参照。ＣＨ４／Ｃｌ２ベースのエッチングは、概して若干より信頼性があったが、該プロセスであっても、反応性イオンエッチングに関連した歩留まりは大きな問題のままである。本発明は、この歩留まりの問題を実質的に軽減することになる。
【００２２】
当該技術分野ではよく知られているさらなる考慮事項は、固定のリッジ幅に関するものであり、狭リッジ導波路型半導体レーザは、「弱屈折率導波」である場合に、すなわち、モードが、利得導波又はより急激な横方向の変化によってではなく屈折率の比較的弱い横方向の空間的変化によって画定される内側リッジに閉じ込められる場合に、基本横モードでより確実に安定して動作する傾向がある。屈折率の急激な横方向の変化は、例えば、リッジ幅が活性量子井戸よりも下への単一の深いエッチングにより画定されるときに得られる。リッジ側壁は、次いで、通常は、半導体エピ層よりもはるかに低い屈折率を有する誘電体で覆われる。レージングモードを横方向に閉じ込めるべく内側リッジを形成するのに浅いエッチングが採用されるときにモード屈折率のより好ましい変化が得られることが知られている。横方向の電流拡散は最小限であり、内側リッジへ注入される電流はほとんどが内側リッジに閉じ込められたままであるため、弱屈折率導波は、ほとんどのタイプの半導体レーザに容易に適用可能である。
【００２３】
しかしながら、横方向の電流拡散は、上側クラッド層を形成する短周期ＩｎＡｓ−ＡｌＳｂ超格子の非常に大きい電気的異方性のために、ＩＣＬにおいてかなり広範囲となる傾向があることが知られている（例えば、上記のＦｏｒｏｕｈａｒ他参照）。ＦｏｒｏｕｈａｒらによりＤＦＢ  ＩＣＬにダブルリッジの幾何学的構造が適用されたが、閾値電流は、利得に寄与しない外側リッジへの横方向の拡散に起因してほとんどのＩＣＬに比べて過大であった。この理由のため、ほぼすべての他の以前の狭リッジＩＣＬは、活性利得ステージよりも下への深いエッチングにより画定される単一のリッジを採用した。前述のように、これは、所与の幅のリッジに関連したモード特性を低下させる強い屈折率導波を生じる。
【００２４】
本発明は、電流が外側リッジへ感知できるほど寄生的に拡散しない、弱屈折率導波型ＩＣＬリッジを実現するための手段を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００２５】
この概要は、発明を実施するための形態でさらに説明される概念の選択を簡略化された形態で紹介することを意図している。この概要は、特許請求される主題の重要な又は本質的な特徴を特定することを意図しておらず、特許請求される主題の範囲を決定する助けとして用いられることも意図していない。代わりに、これは本明細書で説明され特許請求される主題の単なる簡単な概略として提示される。
【００２６】
本発明は、内側リッジに弱く閉じ込められるインターバンドカスケードレーザの光学的損失を顕著に低下させ且つパワー変換効率を向上させることになり、ＤＦＢ単一モード用途とハイパワー用途との両方のために用いられ得る、新規なＩＣＬレイヤリング設計、リッジ導波路アーキテクチャ、及び加工プロトコルを提供する。本発明の重要な特徴は、さらなる光学的損失を招かずに電気コンタクトを依然としてもたらしながら、従来のＩＣＬに存在する半導体トップクラッド層を排除する又は顕著に低減することである。これらの層を排除し、代わりに、横方向電流注入と併せて、薄いトップクラッドを補うべく誘電体又は空気のトップクラッド、若しくは誘電体又は空気の層を用いることにより、本発明は、このようなＩＣＬの内部損失を実質的に低減し、結果的に、より低いレージング閾値、より高い効率、及びより高い最大パワーをもたらすことになる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１Ａ】３００Ｋ×ｃｍ−の温度でパルスモードで動作する同じウェーハから加工した一連の５つの７ステージブロードエリア（１５０μｍ×２ｍｍ）ＩＣＬに関するパルス電流−電圧（Ｉ−Ｖ）特徴の変化を例示するプロットである。
【図１Ｂ】３００Ｋ×ｃｍ−の温度でパルスモードで動作する同じウェーハから加工した一連の５つの７ステージブロードエリア（１５０μｍ×２ｍｍ）ＩＣＬに関するパルス光−電流（Ｌ−Ｉ）特徴の変化を例示するプロットである。
【図２Ａ】本発明に係る成長したトップクラッド層を全く有しないＩＣＬに関する例示的なエピタキシャルレイヤリング設計及び連続的な狭リッジ加工ステップの態様を例示するブロック略図である。
【図２Ｂ】本発明に係る成長したトップクラッド層を全く有しないＩＣＬに関する例示的なエピタキシャルレイヤリング設計及び連続的な狭リッジ加工ステップの態様を例示するブロック略図である。
【図２Ｃ】本発明に係る成長したトップクラッド層を全く有しないＩＣＬに関する例示的なエピタキシャルレイヤリング設計及び連続的な狭リッジ加工ステップの態様を例示するブロック略図である。
【図２Ｄ】本発明に係る成長したトップクラッド層を全く有しないＩＣＬに関する例示的なエピタキシャルレイヤリング設計及び連続的な狭リッジ加工ステップの態様を例示するブロック略図である。
【図３Ａ】本発明に係る成長したトップクラッド層を全く有しない狭リッジ導波路ＩＣＬの例示的な実施形態の態様を例示するブロック略図である。
【図３Ｂ】本発明に係る成長したトップクラッド層を全く有しない狭リッジ導波路ＩＣＬの例示的な実施形態の態様を例示するブロック略図である。
【図３Ｃ】本発明に係る成長したトップクラッド層を全く有しない狭リッジ導波路ＩＣＬの例示的な実施形態の態様を例示するブロック略図である。
【図４Ａ】本発明に係る成長したトップクラッド層を全く有しない狭リッジ導波路ＩＣＬの他の例示的な実施形態の態様を例示するブロック略図である。
【図４Ｂ】本発明に係る成長したトップクラッド層を全く有しない狭リッジ導波路ＩＣＬの他の例示的な実施形態の態様を例示するブロック略図である。
【図５Ａ】本発明に係る成長したトップクラッド層を全く有しない狭リッジ導波路ＩＣＬのさらに例示的な実施形態の態様を例示するブロック略図である。
【図５Ｂ】本発明に係る成長したトップクラッド層を全く有しない狭リッジ導波路ＩＣＬのさらに例示的な実施形態の態様を例示するブロック略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
上記で要約した本発明の態様及び特徴は、種々の形態で具体化することができる。以下の説明は、態様及び特徴を実施に移すことができる組み合わせ及び構成を例証として示す。説明される態様、特徴、及び／又は実施形態は単なる例であることと、当業者は本開示の範囲から逸脱することなく他の態様、特徴、及び／又は実施形態を使用し得る又は構造的及び機能的修正をなし得ることが理解される。
【００２９】
本発明は、ＤＦＢ単一モード用途とハイパワー用途との両方に向けて設計されるインターバンドカスケードレーザの光学的損失を顕著に低下させ且つパワー変換効率を向上させることになる、新規なＩＣＬレイヤリング設計、リッジ導波路アーキテクチャ、及び加工プロトコルを提供する。本発明の重要な特徴は、従来のＩＣＬに存在する半導体トップクラッド及び金属コンタクト層の排除又は顕著な低減である。これらの層を排除し、代わりに、弱屈折率導波型内側リッジへの横方向電流注入と併せて、誘電体又は空気のトップクラッドを用いるか，あるいは薄いトップクラッドを補うべく、誘電体又は空気の層を用いることにより、本発明は、このようなＩＣＬの内部損失を実質的に低減し、結果的に、より低いレージング閾値、より高い効率、及びより高い最大パワーをもたらすことになる。
【００３０】
加えて、トップクラッド層のすべて又はほとんどの排除はまた、ＤＦＢ  ＩＣＬにおけるレージングモードとトップ分布帰還型グレーティングとの結合を最大にするであろう。したがって、本発明は、単一モード出力又は低い駆動パワーが重要な用途に、例えば、バッテリパワーにより駆動される又は携帯性のためにシステムフットプリントが最小となることを必要とする化学センシングシステムに有益であろう。
【００３１】
本発明はまた、内部損失を最小にし、高い出力パワーを必要とする用途でのパワー変換効率を最大にするであろう。
【００３２】
Ｎａｖａｌ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ  Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ（ＮＲＬ）での本発明の発明者らによる最近の実験は、厚く成長したトップクラッド層及び未被覆面を有する同じウェーハから加工した一連の５つの７ステージブロードエリア（１５０μｍ×２ｍｍ）ＩＣＬのパルス電気特性及び光学特性に対する水素イオンでの衝撃の影響を調査した。これらの実験では、水素イオンエネルギーを３４０ｋｅＶに固定し、一方、ドーズレベルを０から６×１０１３ｃｍ−２まで変化させた。
【００３３】
図１Ａ及び図１Ｂは、５つのレーザが３００Ｋの温度でパルスモードで動作したときの、それぞれ、パルス電流−電圧（Ｉ−Ｖ）及び光−電流（Ｌ−Ｉ）特徴がどのようなものであるかを例示するプロットである。発明者らは、６×１０１２ｃｍ−２までのドーズレベルがパルスＩ−Ｖ特徴に対して比較的小さい影響を有したが、何らかの顕著な電流の流れを生じるのに必要とされる電圧は、より高い衝撃ドーズで実質的に増加したことを見出した。特に、これらの結果は、厚いトップクラッド層を有するＩＣＬエピ層の１つの領域が、別の領域が衝撃を受けない状態で、高いドーズレベル（例えば、６×１０１３ｃｍ−２）で衝撃を受ける場合に、≒４Ｖ（７ステージに関して）の典型的なＩＣＬ動作バイアスの印加は、衝撃を受けていない領域の活性利得ステージを通る電流の実質的な流れを生じることになるのに対して、事実上、電流はデバイスの衝撃を受けた部分を通して垂直には流れないことを示した。これは、十分なドーズでのイオン衝撃が光学クラッド層及びＩＣＬエピ層の活性利得ステージを通る垂直方向の電流の流れを部分的に又は顕著に制約するための効果的な手段を提供することを確認する。他のＮＲＬの実験は、厚いトップクラッド層を有する従来のＩＣＬ構造体の薄い重度にドープされたｎ＋−ＩｎＡｓトップコンタクト層が定位置に残る場合に横方向の電流の流れは比較的妨げられないが、該層が除去され、電流がトップ光学クラッド層の基礎をなすｎ−ＩｎＡｓ−ＡｌＳｂ超格子を通って横方向に流れなければならない場合に、電流の流れは抑制されるように見えることを示唆する。
【００３４】
加えて、インターバンドカスケードレーザでの電気伝導率が高異方性であることがよく知られている。図１Ｂに示された光−電流（Ｌ−Ｉ）特徴は、レージング閾値に達するのに必要とされる電流密度が衝撃ドーズの増加と共にかなり増加することを示し、これは、衝撃により生じる欠陥によって引き起こされるＳｈｏｃｋｌｅｙ−Ｒｅａｄ寿命の減少に起因する可能性が最も高い。６×１０１３ｃｍ−２の最高イオンドーズで衝撃を受けたデバイスは、どの利用可能な注入電流においても３００Ｋで全くレーザを放出しなかった。
【００３５】
ここで、本発明に係る成長したトップクラッド層を全く有しないか、又は薄い成長したトップクラッド層を有するＩＣＬの実施形態が、本明細書と共に提出され本開示の一部をなす図面の文脈において説明されることになる。以下の説明では、図面での同様の要素を参照するのに同様の番号が用いられ、参照番号の最初の数字は、それらが示される図面を反映するべく変えられている。例えば、ｎ−−ＧａＳｂトップ分離閉じ込め層（ＳＣＬ）は、図２Ａ〜図２Ｄに関する説明ではＳＣＬ層２０６、図３Ａ〜図３Ｃに関する説明ではＳＣＬ層３０６、図４Ａ〜図４Ｂに関する説明ではＳＣＬ層４０６などと呼ばれる。加えて、図面に示される寸法は、単なる例として与えられ、本明細書で例示される実施形態を限定することを多少なりとも意図していないことに留意されたい。
【００３６】
図２Ａ〜図２Ｄでのブロック略図は、本発明の１つ以上の態様を組み込むＩＣＬに関する例示的なエピタキシャルレイヤリング設計の態様を例示する。
【００３７】
図２Ａに例示されるように、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）により又は任意の他の適切な方法により成長し得る構造体は、ＧａＳｂ基板２０１と、ＧａＳｂバッファ層２０２と、活性コアの屈折率よりも低い屈折率を有するＩｎＡｓ／ＡｌＳｂ超格子ボトム光学クラッド層２０３と、活性コアの屈折率よりも高い屈折率を有する随意的なｎ−−ＧａＳｂボトム分離閉じ込め層（ＳＣＬ）２０４と、それぞれ活性量子井戸（ＱＷ）領域、正孔インジェクタ、及び電子インジェクタを含む３〜１５のインターバンドカスケード利得ステージを備える活性コア２０５と、活性コアの屈折率よりも高い屈折率を有する随意的なｎ−−ＧａＳｂトップＳＣＬ２０６を含む。活性利得領域の構成要素は、組み合わされて電子及び正孔エネルギー準位及び波動関数をもたらすように働き、適切なバイアス及び電気的注入の下で組み合わされたときに、媒体からの光の放射を引き起こす。ＩＣＬの活性コアの構造に関する詳細及びその例示的な実施形態は、上記の米国特許第８，３８５，３７８号で見出すことができるが、そこで説明される活性コアの多くのバリエーションが適宜採用されてもよい。
【００３８】
これらの層は、名目上は従来のＩＣＬ設計の層と類似しているが、本発明の一部の実施形態に関して、後述するように光学モードを再分布するべく層の厚さを若干調整することが有利であり得る。ＩＣＬ構造体は、Ｌ．Ｌｉ，Ｙ．Ｊｉａｎｇ，Ｈ．Ｙｅ，Ｒ．Ｑ．Ｙａｎｇ，Ｔ．Ｄ．Ｍｉｓｈｉｍａ，Ｍ．Ｂ．Ｓａｎｔｏｓ，ａｎｄ  Ｍ．Ｂ．Ｊｏｈｎｓｏｎにより「Ｌｏｗ−ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ  ＩｎＡｓ−ｂａｓｅｄ  ｉｎｔｅｒｂａｎｄ  ｃａｓｃａｄｅ  ｌａｓｅｒｓ  ｏｐｅｒａｔｉｎｇ  ａｔ  ｈｉｇｈ  ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓ」、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．１０６，２５１１０２（２０１５）で説明されるようにＩｎＡｓ基板上に成長させてもよい。このようなケースでは、上記の説明のＧａＳｂバッファ層及びＳＣＬ層は、ＩｎＡｓバッファ層及びＳＣＬ層に置き換えられることになり、他の類似の置き換えが当業者には明白であろう。
【００３９】
図２Ａに示される例示的な構造体は、トップ光学クラッド層がトップＳＣＬよりも上に成長しないという点で従来のＩＣＬとは異なる。代わりに、構造体は、ｎ＋−ＧａＳｂ又はｎ＋−ＩｎＡｓ（Ｓｂ）などの薄い（５０〜２００ｎｍ）重度にｎドープされた（例えば、例示的な実施形態ではｍｉｄ−１０１７〜ｍｉｄ−１０１８ｃｍ−３）トップコンタクト層２０７、随意的なドープされないＡｌＡｓ０．０８Ｓｂ０．９２（ＧａＳｂと格子整合される）エッチングストップ層２０８、及び最後に活性コアの屈折率よりも高い屈折率を有するｎ−−ＧａＳｂ屈折率導波層２０９で終わる。代替的に、一部の実施形態では、５０〜５００ｎｍの厚さ及び活性コアの屈折率よりも低い屈折率を有するＩｎＡｓ−ＡｌＳｂ超格子などの薄いトップクラッド層（図示せず）を、トップＳＣＬ層２０６とトップコンタクト層２０７との間に成長させてよく、このような実施形態では、この成長した薄いトップクラッド層は、ＩＣＬに関するトップクラッド層の一部として役立つ場合がある。
【００４０】
例えば、λ≒３．６μｍで放射する本発明に従って設計される例示的な５ステージＩＣＬは、約５０ｎｍの中程度にｎドープされた（≒１０１７ｃｍ−３）ＧａＳｂと後続の２８０ｎｍの軽度にｎドープされた（≒５×１０１５ｃｍ−３）ＧａＳｂから形成されたトップＳＣＬ層２０６と、２０ｎｍの厚さ及びドープ≒１０１８ｃｍ−３を有するｎ＋−ＩｎＡｓ（Ｓｂ）又はｎ＋−ＧａＳｂトップコンタクト層２０７と、２０ｎｍの厚さを有する随意的なドープされないＡｌＡｓ０．０８Ｓｂ０．９２エッチングストップ層２０８と、２００ｎｍの厚さ及びドープ≒５×１０１５ｃｍ−３を有するｎ−−ＧａＳｂ屈折率導波層２０９を含むことができる。一部の実施形態では、重度にｎドープされたＧａＳｂトップコンタクト層２０７は、ｎ＋−ＩｎＡｓ０．９１Ｓｂ０．０９（ＧａＳｂと格子整合される）トップコンタクト層へ低い電気抵抗で遷移するのに適した任意の設計のＩｎＡｓ／ＡｌＳｂ遷移超格子に置き換えることができる。ｎ＋−ＩｎＡｓ（Ｓｂ）トップコンタクト２０７は、次いで、同じ随意的なＡｌＡｓ０．０８Ｓｂ０．９２エッチングストップ層２０８及びｎ−−ＧａＳｂトップ屈折率導波層２０９が再び後続する。λ≒３．６μｍ以外の波長で放射するＩＣＬに関して、設計は、トップｎ−−ＧａＳｂ  ＳＣＬ及びトップｎ−−ＧａＳｂ導波路層の厚さが波長と共に直線的にスケール変化する状態で、当該技術分野では公知の原理に従って当業者により修正されてよい。
【００４１】
本発明はまた、図面に示される例示的なレイヤリング設計の多くの他のバリエーションに適用され得ることが当業者には明白であろう。例えば、下側及び随意的な薄い上側光学クラッド層に関してＩｎＡｓ／ＡｌＳｂ超格子以外の他の材料が採用されてよく、ボトム及びトップＳＣＬに関してＧａＳｂ及びＩｎＡｓ以外の他の材料が採用されてよく、薄い重度にｎドープされたトップコンタクト層に関してｎ＋−ＩｎＡｓ（Ｓｂ）及びｎ＋−ＧａＳｂ以外の他の材料が用いられてよく、エッチングストップ層に関してＡｌＡｓ０．０８Ｓｂ０．９２以外の他の材料が採用されてよく、トップ屈折率導波層に関してＧａＳｂ以外の他の材料が採用されてよい。遷移超格子などのさらなる層が、明記される層間に挿入されてもよい。
【００４２】
加工されたレーザが、単一スペクトルモードで放射する分布帰還型（ＤＦＢ）ＩＣＬとなることが意図される場合、一部の実施形態では、ＩＣＬ構造体の成長後の加工の次のステップは、そうでなければ未加工のチップの上面に１つ以上のピッチを有するＤＦＢグレーティングをパターン形成することを含む。グレーティングは、電子ビームリソグラフィ又は光リソグラフィによりパターン形成されてよく、次いで、当該技術分野では公知の任意の適切な方法を用いてトップＧａＳｂ層にエッチングされる。エッチングの深さは、当該技術分野では公知の原理により導かれる場合の頑健な単一モード放射及び他の好ましいレージング特徴を提供するべく、導波路及びモード分布に関係した他の設計考慮事項と併せて最適化される。一部の実施形態では、最適なエッチング深さは、トップＧａＳｂ層の厚さの大部分であろう。
【００４３】
より詳細に後述するように、一部の実施形態では、ＳｉＮなどの低損失及び低屈折率の誘電体（図示せず）が、次に、エッチングされたＤＦＢグレーティングを有し得るウェーハ材料の上に堆積される。この誘電体はトップ光学クラッド層として役立つことになるので、その厚さは、熱の放散のための経路をもたらすべく続いて上に堆積されることになる金属層へのレージングモードの顕著な侵入を防ぐのに十分なだけ大きいものとなるべきである。誘電体にＳｉＮが用いられる場合、この厚さはおよそ５００ｎｍである。後述する他の実施形態では、上面は、空気がトップクラッド層として役立つように裸のままにされ、リッジの上に金属は堆積されないであろう。
【００４４】
いずれにしても、フォトレジスト２１０ａの第１の厚い層が、ＩＣＬ材料層スタック上に、普通はｎ−−ＧａＳｂ導波層２０９の上に堆積され、後述するように続いてパターン形成されることになる弱屈折率導波型内側リッジ２１２の幅に概ね等しい幅を有する「フォトレジストストライプ」としばしば呼ばれるスタックの一部を覆うパターンが形成される。図面に示される例示的な実施形態では、フォトレジストは、約６μｍの厚さを有し、約５〜２５μｍの幅を有するフォトレジストストライプに対応するが、容易に理解されるように、フォトレジスト２１０ａの幅は、屈折率導波型リッジ導波路レーザの所望の幅に応じて変えることができ、その厚さは、イオン衝撃に対してストライプを遮蔽する際のその効果に応じて変えることができる。
【００４５】
次に、フォトレジストによって覆われない構造体の露出された領域がイオン衝撃を受ける。衝撃は、ＩＣＬの活性利得ステージ内の利得を抑制するだけでなく、衝撃を受けた領域での垂直軸及びもしかすると横軸に沿った電気伝導の流れも抑制するのに十分なドーズ及び衝撃エネルギーである。これは、光学的損失増大の電流抑制が構造体の厚さの全体を通して確実にもたらされるようにするのに一連の衝撃ドーズ及び衝撃エネルギーの使用を必要とする場合がある。その光学特性及び電気特性がイオン衝撃によって対応して変化するエピタキシャル構造の領域が、図２Ｂに「イオン衝撃領域２１１」と表記されたより暗い領域として示され、一方、フォトレジストの下のより明るい領域は、衝撃から保護され、したがって、影響を受けないままである。図１Ａでのプロットにより示される結果は、エネルギー３４０ｋｅＶ及び６×１０１３ｃｍ−２のドーズレベルを有する水素イオンでの衝撃は、より高いレージング閾値及び垂直軸に沿った電流の流れの強い抑制をもたらし得るが、他のイオン種、衝撃エネルギー、及び衝撃ドーズも適切であり得ることを示す。後述するように、これらの又は他の条件下でのイオン衝撃はまた、いくつかのタイプのＩＣＬ構造体において横方向の電流の流れを少なくとも部分的に抑制することになる。
【００４６】
厚いフォトレジスト層２１０ａが依然として定位置にある状態で、その態様が図２Ｃに例示される次のステップにおいて、弱屈折率導波型内側リッジ導波路が画定される。一部の実施形態では、リッジの幅は、レージングが単一横モードで起こるための最大幅に調整される。他の実施形態では、リッジの幅は、たとえレージングが単一横モードで起こり得ないとしても、出力ビームの輝度を最大にするように調整される。さらに他の実施形態では、リッジの幅は、レージング閾値に達するのに必要とされる駆動パワーを最小にするべく調整される。
【００４７】
内側リッジ導波路は、ウェットエッチング又はドライエッチングにより画定することができる。エッチングは良好な光学的品質であるべきであるが、内側リッジのエッチングが活性利得ステージよりも上で始まって終わるので、側壁の損傷に関連する漏れ電流は問題ではない。
【００４８】
したがって、一部の実施形態では、内側リッジ導波路は、ＡｌＡｓ０．０８Ｓｂ０．９２エッチングストップ層２０８へエッチダウンするリン酸ベースのエッチャントでのウェットエッチングにより画定することができる。次いで、重度にｎドープされたＧａＳｂ又はＩｎＡｓ（Ｓｂ）コンタクト層を露出するべくエッチングされた領域でのＡｌＡｓ０．０８Ｓｂ０．９２層の残りを除去するのに塩酸ベースのエッチャントでのさらなるウェットエッチングが用いられてよい。代替的に、他の実施形態では、重度にｎドープされたコンタクト層２０７へエッチダウンするのに反応性イオンエッチングを用いることができ、このような実施形態では、犠牲ＡｌＡｓ０．０８Ｓｂ０．９２層２０８は、重度にｎドープされたコンタクト層の上での又は内部でのエッチングの停止を保証するための別の手段が利用可能な場合に成長から除外されてよい。
【００４９】
いずれにしても、トップＳＣＬ及び屈折率導波層の厚さは、利得と損失との最適な関係をもたらす垂直モード分布と共に、弱屈折率導波型内側リッジ内のレージングモードの頑健な横方向の閉じ込めをもたらすべく、活性コア２０５のステージ多重度、並びにボトムＳＣＬ２０４及びボトム光学クラッド層２０３の構造と併せて設計されるべきである。加えて、重度にｎドープされたコンタクト層２０７は、この層内のエッチングの停止が良好な電気コンタクトを可能にすることを保証するのには十分に厚いが、過大な光学的損失が生じるほどは厚くないものとすべきである。
【００５０】
次いで、弱屈折率導波型内側リッジ導波路のイオン衝撃及びエッチングのための領域を画定するのに用いられた厚いフォトレジスト層２１０ａが除去される。レーザがＤＦＢデバイスとなり、前述の加工の第１のステップとしてＤＦＢグレーティングがパターン形成されなかった場合、一部の実施形態では、グレーティングは、このステージで電子ビームリソグラフィ又は光リソグラフィによりパターン形成されてよい。このようなケースでは、内側リッジ２１２の屈折率導波型境界を越えて侵入するレージングモードの部分へのさらなるエバネッセント結合をもたらすために、グレーティングの幅は、内側屈折率導波型リッジの上面を越えて延びてよい。
【００５１】
確実に内側リッジの外部の領域だけがイオン衝撃を受ける状態で弱屈折率導波型内側リッジ導波路を製作するための手順を上記したが、これらの要件を満たす構造体を製作するのに他の方法及び手順が適用されてよいことが当業者には明白であろう。
【００５２】
その態様が図２Ｄに示される次の随意的なステップでは、フォトレジストの第２の層２１０ｂが堆積され、活性利得ステージよりも下の深さにエッチングされる外側リッジ２１３を画定するべくパターン形成される。この第２のフォトレジスト層２１０ｂの横方向の寸法は、好ましくは、顕著な電流が横方向に外側リッジの境界へ確実に流れないようにするのに十分に広く、そしてまた、内側リッジの片側又は両側に位置することになる電気コンタクトのためのスペースを提供するのに十分に広い。光学モードがはるかにより狭い内側リッジに閉じ込められ、ゆえにエッチングプロフィールが顕著ではないので、このステップでウェットエッチングが採用されてよい。本発明の一部の実施形態では、外側リッジ２１３は、レーザ動作に影響を与えずに任意に広くてよい（例えば、＞５０μｍ）。他の実施形態では、レージングモードが内側リッジを越えて遠くへ延びないので、外側リッジは全くエッチングされず、内側リッジの外部の領域のイオン衝撃は、該領域での垂直方向の電流漏れを強く抑制することになる。以下では、外側リッジが特定の実施形態において存在しない場合であっても内側リッジのようにイオン衝撃を受けない、弱屈折率導波型中央リッジを言及する。
【００５３】
そのように構築されると、このエピタキシャル層構造は、次いで、本発明に係る成長したトップクラッド層なしのＩＣＬを提供するべく「オプションＡ」及び「オプションＢ」として後述する２つの方法のうちの１つでさらに加工することができる。
【００５４】
オプションＡ
より詳細に後述するように、オプションＡに従う実施形態では、厚い誘電体層は、ＩＣＬに関するトップ光学クラッド層のすべて又は一部として役立つ場合がある。
【００５５】
図３Ａ及び図３Ｂは、オプションＡに従って形成された成長したトップクラッド層なしのＩＣＬの態様を例示する。オプションＡに従って製作された例示的なＩＣＬは、図２Ａに関して前述したようなリッジ導波路、すなわち、ＧａＳｂ基板３０１、随意的なＧａＳｂバッファ層３０２、ＩｎＡｓ／ＡｌＳｂ超格子ボトム光学クラッド層３０３、随意的なｎ−−ＧａＳｂボトム分離閉じ込め層（ＳＣＬ）３０４、３〜１５のインターバンドカスケード利得ステージを備える活性コア３０５、随意的なｎ−−ＧａＳｂトップＳＣＬ３０６、ｎ＋−ＧａＳｂ又はｎ＋−ＩｎＡｓ（Ｓｂ）トップコンタクト層３０７、随意的なドープされないＡｌＡｓ０．０８Ｓｂ０．９２（ＧａＳｂと格子整合される）エッチングストップ層３０８、及び最後にｎ−−ＧａＳｂ屈折率導波層３０９を備えるリッジ導波路を含むことになる。
【００５６】
図３Ａ及び図３Ｂに例示される例示的な構造及び本明細書で説明される材料の種々の修正が当業者には明白であろうということに留意されたい。例えば、一部の実施形態では、ＩＣＬ構造体をＧａＳｂではなくＩｎＡｓ基板上に成長させることができ、他の実施形態では、薄いトップクラッド層は、トップＳＣＬ層３０６とトップコンタクト層３０７との間に成長してよく、このような実施形態では、成長した薄層は、ＩＣＬに関するトップクラッド層の一部として役立つ場合がある。材料及び構造のすべてのこのようなバリエーションが本発明の範囲内とみなされる。
【００５７】
図２Ａ及び図２Ｂに関して前述したように、イオン衝撃を受けることになる内側リッジの幅及び該リッジの外部の領域を画定するべく厚いフォトレジストがパターン形成される。内側リッジのイオン衝撃及び浅いエッチングの後に、レージングモード屈折率よりも低い屈折率そしてまた低い光学的損失を有する誘電体層３１２が、構造体の上面全体に堆積される。一部の実施形態では、誘電体材料はＳｉＮであるが、任意の適切な誘電体が用いられてよい。誘電体層３１２は、次いで、屈折率導波型内側リッジ導波路の両側のトップコンタクト開口部３１３以外の至るところに電気絶縁をもたらすべくパターン形成される。
【００５８】
本発明のオプションＡによれば、誘電体層３１２は、ＩＣＬに関するトップ光学クラッド層として役立つことになり、ゆえに、その厚さは、熱の放散のための経路をもたらすべく続いて上に堆積されることになる金属層へのレージングモードの顕著な侵入を防ぐのに十分なだけ大きいものとなるべきである。誘電体にＳｉＮが用いられる場合、この厚さはおよそ５００ｎｍである。
【００５９】
図３Ｂに例示されるように、オプションＡに従う実施形態では、ＩＣＬ構造体は、誘電体層３１２の上面に堆積されるトップ金属層３１４をさらに含む。トップ金属層３１４の１つの機能は、内側リッジの側部にあるコンタクト開口部３１３を介してトップ電気コンタクトを提供することである。リッジの上に堆積された金属は、電気伝導に寄与しないが、活性コアの加熱を低減するべく熱放散のための経路をもたらす。好ましい金属は、トップコンタクト層３０７がｎ＋−ＧａＳｂの場合はＣｒ／Ｓｎ／Ｐｔ／Ａｕであり、トップコンタクト層３０７がｎ＋−ＩｎＡｓ又はｎ＋−ＩｎＡｓ（Ｓｂ）の場合はＴｉ／Ｐｔ／Ａｕである。
【００６０】
上述のイオン衝撃実験に基づいて、トップコンタクト層内の伝導はイオン衝撃に比較的影響されず、一方、電流の流れは、該層が導電経路に沿ったどこかで除去される場合に顕著に抑制されるので、金属コンタクト層は、重度にｎドープされたトップコンタクト層内の途切れのない経路を介して内側リッジの上に接続されることが重要である。他方では、どのさらなる外方の電流の流れも漏れにのみ寄与することになるので、コンタクト開口部を越える、重度にｎドープされたトップコンタクト層は、エッチングにより取り除かれるべきである（図３Ａ及び後続の図面に例示されるように）。
【００６１】
加えて、オプションＡに係る多くの実施形態では、図３Ｃに例示されるように、動作中の構造体からの熱の放散を強化するべく、厚い（典型的に約５μｍの）Ａｕ層３１５が構造体全体の上面に堆積される。Ａｕ層３１５は、通常は電気めっきを用いて堆積されるが、Ａｕ層の堆積のための他の方法が適宜用いられてよい。最後に、Ｃｒ／Ｐｔ／Ａｕなどのボトムコンタクト金属３１６が、ｎ＋−基板３０１の底部に堆積される。
【００６２】
そのように製作されると、次いで、当該技術分野では公知の任意の適切な方法を用いて、リッジ構造体を例えばヒートシンク上に、エピタキシャルサイドアップ又はエピタキシャルサイドダウンのいずれかでマウントしてよい。例えば、米国特許第８，８７９，５９３号「Ａｐｐｒｏａｃｈ  ａｎｄ  Ｍｅｔｈｏｄ  ｆｏｒ  Ｅｐｉｔａｘｉａｌ−Ｓｉｄｅ−Ｄｏｗｎ  Ｍｏｕｎｔｉｎｇ  ｏｆ  Ｈｉｇｈ−Ｐｏｗｅｒ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｌａｓｅｒｓ  ｗｉｔｈ  Ｈｉｇｈ  Ｙｉｅｌｄ」（２０１４）参照。
【００６３】
オプションＢ
より詳細に後述するように、オプションＢに係る実施形態では、外側リッジの側壁及びベースのみを覆い、内側弱屈折率導波型リッジ導波路を十分に露出されたまま残すことでトップクラッド層のすべて又は一部に空気が用いられ得るように、誘電体がパターン形成される。
【００６４】
図４Ａ及び図４Ｂは、オプションＢに従って形成された成長したトップクラッド層なしのＩＣＬの態様を例示する。
【００６５】
したがって、図４Ａに例示されるように、オプションＢに係る成長したトップクラッド層なしのＩＣＬは、図２Ａに関して前述したようなリッジ導波路、すなわち、ＧａＳｂ基板４０１、ＧａＳｂバッファ層４０２、ＩｎＡｓ／ＡｌＳｂ超格子ボトム光学クラッド層４０３、ｎ−−ＧａＳｂボトム分離閉じ込め層（ＳＣＬ）４０４、３〜１５のインターバンドカスケード利得ステージを備える活性コア４０５、ｎ−−ＧａＳｂトップＳＣＬ４０６、ｎ＋−ＧａＳｂ又はｎ＋−ＩｎＡｓ（Ｓｂ）トップコンタクト層４０７、随意的なドープされないＡｌＡｓ０．０８Ｓｂ０．９２（ＧａＳｂと格子整合される）エッチングストップ層４０８、及び最後にｎ−−ＧａＳｂ屈折率導波層４０９を備えるリッジ導波路を含む。レーザがＤＦＢの場合、ＤＦＢグレーティングは、加工のより早い段階でＧａＳｂ屈折率導波層４０９に既にエッチングすることができる。
【００６６】
上記のオプションＡに従う実施形態と同様に、図４Ａ及び図４Ｂに例示される例示的なオプションＢの構造及び本明細書で説明される材料の種々の修正が当業者には明白であろう。例えば、一部の実施形態では、ＩＣＬ構造体をＧａＳｂではなくＩｎＡｓ基板上に成長させることができ、他の実施形態では、薄いトップクラッド層は、トップＳＣＬ層４０６とトップコンタクト層４０７との間に成長してよく、このような実施形態では、成長した薄層は、ＩＣＬに関するトップクラッド層の一部として役立つ場合がある。
【００６７】
オプションＡの場合のように、図２Ａ及び図２Ｂに関して上述したように、図４Ａ及び図４Ｂに例示される実施形態では、イオン衝撃を受けることになる内側リッジの幅及び該リッジの外部の領域を画定するべく厚いフォトレジストがパターン形成される。内側リッジのイオン衝撃及び浅いエッチングの後に、オプションＢに係るＩＣＬでは、誘電体の層４１２が、リッジ導波路の上面に堆積される。多くの実施形態では、誘電体材料はＳｉＮであるが、任意の適切な誘電体が用いられてよい。オプションＢに係る実施形態では、誘電体層４１２は、外側リッジの側壁及びベースでの電気ショートを防ぐのに十分に厚いことだけを必要とする。
【００６８】
オプションＡに係る誘電体層３１２は、リッジの両側に画定されたトップコンタクト開口部３１３以外の至るところに電気絶縁をもたらすべくパターン形成されるが、図４Ａに例示されるように、上記のように、オプションＢに係るＩＣＬでは、外側リッジの側壁及びベースのみを覆い、内側屈折率導波型リッジ導波路を十分に露出されたまま残すことでトップクラッド層の一部又はすべてに空気が用いられ得るように、誘電体層４１２がパターン形成される。
【００６９】
次いで、トップ金属層４１４が、構造体の上面に堆積される。オプションＡのように、オプションＢで用いるのに好ましい金属は、コンタクトｎ＋−ＧａＳｂに関してＣｒ／Ｓｎ／Ｐｔ／Ａｕ又はコンタクトｎ＋−ＩｎＡｓ（Ｓｂ）に関してＴｉ／Ｐｔ／Ａｕである。図４Ａに示すように、上側ｎ−−ＧａＳｂ屈折率導波層４０９の上面を露出するべく内側屈折率導波型リッジの上面から金属コンタクト層が除去されるように金属コンタクト層にパターン形成するのにフォトリソグラフィが用いられる。
【００７０】
多くの実施形態では、その強度プロフィールがリッジの中央に集中する基本モードの選択を優先しつつ、そのプロフィールがリッジの境界付近でより高い強度を有するより高次の横レージングモードを区別するさらなる損失をもたらすべく、弱屈折率導波型リッジ導波路を画定する内側リッジの裸の側壁上にコンタクト金属が残される。
【００７１】
オプションＡの場合のように、Ｃｒ／Ｐｔ／Ａｕなどのボトムコンタクト金属４１６が、ｎ＋−基板４０１の底部に堆積される。オプションＡとオプションＢとの両方において、トップ金属層３１４／４１４とｎ＋−ＧａＳｂ又はｎ＋−ＩｎＡｓ（Ｓｂ）トップコンタクト層３０７／４０７との間のコンタクトを介して横方向に電気的注入がもたらされる。
【００７２】
マウンティングの代替は、裸のエピタキシャル表面の上に空気がトップクラッド層を形成するので、オプションＢに基づく実施形態に関してより制限される。１つのオプションは、基板を薄くし、次いで、デバイスをエピタキシャル−サイドアップにマウントして、熱の除去を薄くされた基板を通じた熱伝導に頼ることである。高品質ＩＣＬに関する出力密度閾値は、通常は、室温での持続波（ｃｗ）モードでデバイスがこのように動作することができるのに十分に低いが、最大出力パワーは、レージング閾値をはるかに上回る電流が注入されるときの活性コアの加熱により制限される。
【００７３】
オプションＢに基づく実施形態に関する第２のマウンティング手法は、デバイスの底部からの熱の除去に関する経路長を顕著に短くするべくＧａＳｂ基板を除去することである。ＧａＳｂ基板からエピ層を除去するための加工方法は、この時点で比較的未熟である。
【００７４】
第３のマウンティング手法は、リッジ導波路よりも上に「エアドーム」を設け、次いで、ドームの上に電気めっきし、その後のエピタキシャルサイドアップ又はエピタキシャルサイドダウン・マウンティングのための空気（又は真空、又は或る他のガス）の層をリッジよりも上に残すことである。本発明のこの構成の態様が図４Ｂに例示される。
【００７５】
図４Ｂに例示される実施形態では、トップ金属層の堆積のためのフォトリソグラフィの前に、約０．３〜１．０μｍの厚さ及び屈折率導波型リッジの幅と同じ幅を有するＧｅフィルム（図示せず）が、リッジ導波路の上に堆積される。次いで、トップ金属層４１４が前述のように堆積され、その後に約５〜約６μｍの厚さを有する電気めっきされたＡｕ層４１５が続く。トップ金属層４１４と電気めっきされたＡｕ層４１５との両方は、Ｇｅフィルムをエッチングにより取り除くべくヒドロペルオキシドを塗布するためにアクセスできるように、リッジに沿って周期的スロットを有するようにパターン形成される。屈折率導波型リッジの上から及び金属の下からＧｅフィルムがエッチングにより取り除かれると、屈折率導波型リッジ導波路よりも上にエアドームが残ることになる。約５μｍの典型的な長さを有するスロットは、典型的に約２０μｍの長さのエアドーム化された領域へのヒドロペルオキシド・エッチャントのアクセスを提供することになる。Ａｕ電気めっきは、エピタキシャルサイドアップ・マウンティングのための熱放散をもたらし、上記の米国特許第８，８７９，５９３号で説明されるようなエピタキシャル−サイドダウン・マウンティングを採用することもできる。この方法は、はんだがスロットへ流入して光学的損失を引き起こすのを防ぐことになると考えられる。
【００７６】
エアドームを採用する実施形態は、内側屈折率導波型リッジ導波路の上からトップコンタクト金属及び電気めっきされた金への直接の熱伝導をもたらさないが、活性コアから側部にあるイオン衝撃を受けた領域への及びそこからトップ金属層への熱の横方向の流れは、それでもなお、エアドームのない状態で基板を経由する経路よりも効率的な熱の除去をもたらすことになる。
【００７７】
さらなる代替は、エピ層自体のエッチングによるのではなく成長した半導体エピ層の上に誘電体を堆積しパターン形成することによって弱屈折率導波のための中央リッジを形成することである。誘電体に関する１つの魅力的な選択肢は、活性コアの屈折率よりも高いその高い屈折率に起因してゲルマニウム（Ｇｅ）であるが、Ｓｉなどの他の材料が適宜採用されてもよい。Ｇｅの堆積後に、Ｇｅ層のエッチング又はリフトオフによりＤＦＢグレーティングが形成されてよい。この手法は、非常に高い結合係数を有するグレーティングを提供するべく少なくとも３００〜４００ｎｍまでの深さのグレーティングを形成するのに用いられてよい。
【００７８】
この手法に従う実施形態の例が図５Ａ及び図５Ｂに示される。
【００７９】
図５Ａ及び図５Ｂに示される実施形態では、Ｇｅ層５１７は、図３Ａ及び図３Ｂに関して前述した要素３０１〜３０７に対応する要素５０１〜５０７を備えるレーザリッジの上に堆積される。一部の実施形態では、Ｇｅ層５１７は、高い結合係数をもたらすべく前述のＤＦＢグレーティングが随意的にパターン形成されてよい。
【００８０】
図５Ａに例示されたような一部の実施形態では、例えばＳｉＮの、絶縁誘電体層５１２を、Ｇｅ層５１７とトップ金属層５１４との間に堆積することができる。このようなケースでは、オプションＡに関して前述したように、誘電体層は、成長したトップクラッド層が存在しない場合にトップクラッド層のすべてとして、又は活性コアの屈折率よりも低い屈折率を有するさらなる薄層がトップＳＣＬ層５０６とトップコンタクト層５０７との間に成長する場合にトップクラッド層の一部として役立つ。
【００８１】
他の実施形態では、図５Ｂに例示されるもののように、Ｇｅ層５１７は、裸のまま残すことができ、この場合、空気が、成長したトップクラッド層が存在しない場合にオプションＢに関して前述したようにトップクラッド層のすべてとして、又はトップＳＣＬ層５０６とトップコンタクト層５０７との間にさらなる薄層が成長する場合にトップクラッド層の一部として役立つ。
【００８２】
すべてのこのような実施形態において、ｎ＋−ＩｎＡｓ（Ｓｂ）又は他の重度にｎドープされたトップコンタクト層５０７が構造体の上に成長する。オプションＡの場合のように、構造体は、該層が導電経路に沿ったどこかで除去される場合にイオン衝撃がインピーダンスを顕著に増加させることができるので、金属コンタクトを内側リッジの上に接続するべく重度にｎドープされたトップコンタクト層内に途切れのない経路をもたらすことが重要である。
【００８３】
最後に、図５Ａに例示される実施形態では、熱管理を改善するべく、随意的なＡｕ電気めっき層５１５をリッジの上部、側部、及び下部に堆積することができ、一方、図５Ｂに例示される実施形態では、図４Ｂに関して前述したようにエアドームを形成することができる。いずれにしても、オプションＢに係る他の実施形態と同様に、図５Ａ及び図５Ｂに描画されたデバイスは、適宜、エピタキシャル−サイドアップ又はエピタキシャル−サイドダウンのいずれかでマウントされてよい。
【００８４】
利点及び新しい特徴：
本発明は、リッジ境界の外部の領域での感知できるほどの垂直方向の電流の流れを許さずに弱屈折率導波型インターバンドカスケードレーザリッジを実現するための第１の実際的且つ効率的な手段を提供する。すべての以前の弱屈折率導波型ＩＣＬは、ＩＣＬリッジが活性利得ステージよりも下の深さにエッチングされないときに起こる実質的な横方向の電流拡散に起因する、より高い閾値電流密度及びより低いパワー変換効率に悩まされていた。例えば、Ｓ．Ｆｏｒｏｕｈａｒ，Ｃ．Ｂｏｒｇｅｎｔｕｎ，Ｃ．Ｆｒｅｚ，Ｒ．Ｍ．Ｂｒｉｇｇｓ，Ｍ．Ｂａｇｈｅｒｉ，Ｃ．Ｌ．Ｃａｎｅｄｙ，Ｃ．Ｓ．Ｋｉｍ，Ｍ．Ｋｉｍ，Ｗ．Ｗ．Ｂｅｗｌｅｙ，Ｃ．Ｄ．Ｍｅｒｒｉｔｔ，Ｊ．Ａｂｅｌｌ，Ｉ．Ｖｕｒｇａｆｔｍａｎ，ａｎｄ  Ｊ．Ｒ．Ｍｅｙｅｒ，”Ｒｅｌｉａｂｌｅ  Ｍｉｄ−Ｉｎｆｒａｒｅｄ  Ｌａｔｅｒａｌｌｙ−Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ−Ｆｅｅｄｂａｃｋ  Ｉｎｔｅｒｂａｎｄ  Ｃａｓｃａｄｅ  Ｌａｓｅｒｓ，”Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．１０５，０５１１１０（２０１４）参照。本発明は、活性利得ステージを通じたエッチングが、内側屈折率導波型リッジ導波路から１０〜１００μｍ（又はそれ以上）に位置し得る外側リッジの境界で起こることを可能にするため、該遠隔位置での高度に非垂直な角度をなす側壁をもたらすがドライエッチングにより生じる損傷に起因することがある側壁漏れを回避する等方性ウェットエッチングがほとんどのパッケージングアーキテクチャにおいて受け入れることができることから、加工の歩留まりが向上するはずである。
【００８５】
本発明の効率的な横方向電流注入は、トップコンタクト金属へのモード侵入に普通は関連する損失を増加させずに、弱屈折率導波型リッジ導波路の上に、レージングモードに対する高い結合係数を有するＤＦＢグレーティングがパターン形成されることを可能にする。より高い損失は、リッジの上にグレーティングを有するすべての以前のＤＦＢ  ＩＣＬをはるかにあまり効率的ではないものにし、同様のリッジ幅を有する非ＤＦＢ  ＩＣＬよりもはるかに小さいパワーを生じさせる。さらに、単一モード動作の頑健性は、損失を最小にするのに十分に厚くなければならないトップクラッド層に関連した弱いグレーティング結合に起因して、又はグレーティングをリッジの上部ではなく側部に配置することにより、しばしば限界に近い。これらの問題は、信頼できるオーバーグロース技術が現在のところ存在しないため、ＩＣＬ及び他のＧａＳｂベースのレーザに関して特に困難である。
【００８６】
難しさは、レージングモードに強く結合するＤＦＢグレーティングがエピタキシャル層にパターン形成された後で電気伝導性のより低屈折率の光学クラッド及びトップコンタクト層をオーバーグローすることによりＩｎＰ及びＧａＡｓベースの半導体レーザにおいて容易に回避される。該手法を用いると、グレーティングへの強い結合、低い損失、及びレージングモードとの無視できるオーバーラップを有する金属コンタクトを介する妥協しない電気伝導を組み合わせるＩｎＰ及びＧａＡｓベースのＤＦＢレーザを製作するのが比較的簡単である。
【００８７】
本発明の誘電体（本発明のオプションＡに従う実施形態のように）又は空気（オプションＢに従う実施形態のように）トップクラッド層の採用は、光学的損失のどのようなペナルティも生じずにＤＦＢグレーティングへの結合を実質的に増加させることを可能にするであろう。半導体トップ光学クラッド層が完全にない状態で、コンタクト金属がグレーティングの上に直接堆積されるときに従来のＤＦＢ  ＩＣＬで生じるさらなる損失を招かずに、グレーティングをトップｎ−−ＧａＳｂ屈折率導波層へ必要なだけ深くエッチングすることができる。次いで、限界に近い結合強度と過大な光学的損失とのトレードオフによってではなくＤＦＢモード特性及び他のレーザ性能特徴の考慮事項によって、グレーティングの結合強度の最適化を完全に導くことができる。１つの結果は、グレーティング結合が、より高次のグレーティングを有するＤＦＢ  ＩＣＬからの頑健な単一モード出力を保証するのに十分に強くなることである。これは、電子ビームリソグラフィではなく光リソグラフィの採用を可能にすることにより加工を簡単にするであろう。
【００８８】
本発明は、光学モードプロフィールの再分布の融通性を実質的に高めるというさらなる利点を有する。空気（オプションＢ）又はＳｉＮなどの適切な誘電体（オプションＡ）トップクラッドが採用されるときに構造体の上部での損失が減少する場合、導波路の上部でのより高い強度及び下部での低減した強度に関してモードプロフィールを再分布することができる。ｍｉｄ−ＩＲ波長でのＳｉＮの光学的損失は、堆積品質に依存することが公知であるが、下限は不確かなままである。このような再分布によってもたらされる１つのオプションは、その材料損失が無視できないボトム光学クラッド層からモードをほぼすべて除去することである。低い純ｎドープレベルを有するＧａＳｂ  ＳＣＬでの損失も最小にされる場合、残りの損失のほぼすべては、デバイスの種々の領域を接続する薄いＩｎＡｓ／ＡｌＳｂ遷移超格子において生じるより小さい寄与に加えて、活性利得ステージで起こり得る。活性利得ステージでの損失は光閉じ込め係数に比例し、これは次に、ステージの数と共に概ねスケール変化するので、ステージの多重度を２又は３に低減することが可能となり、これにより、レージング閾値に達するのに必要とされるバイアス電圧及び純駆動パワーを実質的に低減し得る。
【００８９】
さらに、ＩＣＬは、一般に、構造体の上部全体に関連した、そしてまた前述のようにモードが再分布されるときにボトム光学クラッド層に関連した光学的損失を実質的に最小にすることにより、４μｍを超える波長で増加する閾値電流密度及び減少するスロープ効率を呈するのに対して、本発明は、より長波長での純損失を顕著に低下させるための効果的な手段を提供する。関連する利点は、トップ光学クラッド層が全く必要とされないか、又はより薄いトップクラッド層が必要とされるので、波長と共にほぼ直線的にスケール変化し、従来のＩＣＬが成長するときに過大となることがあるＭＢＥ成長時間及び純エピタキシャル厚さが実質的に低減されることである。低い駆動パワーが重要な性能メトリックである分光法及び他の用途に関して、これらの新しい利点は、本発明に従って設計及び加工されるＩＣＬを、≒６μｍの現在の限界をはるかに超えて延びる波長で量子カスケードレーザよりも有利なままにすることを我々は期待している。
【００９０】
狭リッジＩＣＬを駆動するのに必要とされる閾値パワーを低減すること以外に、単一スペクトルモードで出力をもたらすのにＤＦＢグレーティングが使用されるか否かに関係なく、本発明の光学的損失の低減は、ＩＣＬから到達可能な最大ウォールプラグ効率及び出力パワーを高めることになる。これらの利点は、単一スペクトルモードでのより高い出力パワーとＤＦＢグレーティングなしの狭リッジＩＣＬにより生成されるより高いパワー及び輝度との両方をもたらすことになる。
【００９１】
オプションＡのさらなる利点は、ＳｉＮなどの誘電体トップクラッド層が、従来のＩＣＬ設計で採用されるＩｎＡｓ／ＡｌＳｂ短周期超格子トップクラッド層よりも高い熱伝導率を有し得るという点である。したがって、純熱抵抗が低減されることになり、所与の動作条件下で活性コアのより少ない加熱が起こることになる。
【００９２】
エピ層の上にＧｅ又は或る他の誘電体層を堆積しパターン形成することにより屈折率導波型リッジを形成する図５Ａ及び図５Ｂに例示される実施形態の利点は、それらが半導体のエッチングを必要としないという点である。
【００９３】
代替：
本発明の範囲内に入る多くの代替が当業者には明白であろう。例えば、ＩＣＬ利得ステージは、ＩＩ型又はＩ型のいずれかの活性量子井戸における放射遷移を採用してよく、基板はＧａＳｂ又はＩｎＡｓのいずれかであってよく、種々の光学クラッド層、ＳＣＬ、活性量子井戸及びインジェクタ組成、遷移超格子、コンタクト層、及びトップＧａＳｂ屈折率導波層の組成及び厚さは、上述の例示的な構造体のものの他に多くのバリエーションを採用し得る。広範なイオン衝撃条件も、エピ層の上部での横方向電流注入のための経路をもたらしながら、利得及び活性利得ステージを通る垂直伝導を強く抑制するのに適切であり得る。
【００９４】
エピタキシャルサイドアップ又はエピタキシャルサイドダウン・マウンティングのいずれかが採用されてよい。前者の場合、ＩＣＬに関する出力密度閾値は、一般に、基板を介する熱の放散が、デバイスが室温でのｃｗモードで動作することを可能にするのに十分なだけ十分に低い。活性利得ステージの加熱に起因して閾値よりも上で熱的飽和が起こることになるが、これは、基板を除去すること又は熱の横方向の流れを強化する手段を提供することにより最小にすることができる。誘電体上面（オプションＡ）に構造体をエピタキシャルサイドダウン構成でマウントするのに当該技術分野では公知の従来の方法を用いることができる。この場合、好ましい実施形態では、リッジの上面に金属を堆積し、次いで、エピタキシャルサイドダウン・マウンティングの前にデバイス構造体全体の上に金の比較的厚い層（≒５μｍの厚さ）を電気めっきすることが有益である。露出されたｎ−−ＧａＳｂトップ屈折率導波層又は他のトップエピ層の上に誘電体が堆積されないオプションＢを採用するデバイスは、上述のドーム化された構造体の加工後にエピタキシャルサイドダウンでマウントされてよい。
【００９５】
電気伝導が必要とされず、屈折率はモード屈折率よりも低いことだけを必要とするので、トップ誘電体層は多様な材料の選択肢から選択されてよい。ＳｉＮ以外に、これらは、モード屈折率が十分に低い場合にＡｌ２Ｏ３又はＳｉを含む。選択は、最小光学的損失の考慮事項、そしてまた、誘電体の堆積及びその後の加工の都合及び経済により導かれる場合がある。
【００９６】
電流拡散なしに利得導波型ＩＣＬリッジを実装するための効果的な手段を提供することにより、本発明は、単一横モードでのレージングを維持できる又は（出力が単一横モードではなくても）低いＭ２を有する比較的良好なビームを維持できるための最大リッジ幅を増加させることになる。これは、高い最大出力パワー及び輝度を必要とする用途に有利であろう。良好なビーム（又は単一横モード）が維持されるための最大リッジ幅は、従来の狭リッジＩＣＬに関して以前に実証されているように、内側屈折率導波型リッジの側壁に波形部をパターン形成することによりさらに増加させることができる。Ｃ．Ｓ．Ｋｉｍ，Ｍ．Ｋｉｍ，Ｊ．Ｒ．Ｌｉｎｄｌｅ，Ｗ．Ｗ．Ｂｅｗｌｅｙ，Ｃ．Ｌ．Ｃａｎｅｄｙ，Ｊ．Ａｂｅｌｌ，Ｉ．Ｖｕｒｇａｆｔｍａｎ，ａｎｄ  Ｊ．Ｒ．Ｍｅｙｅｒ，”Ｃｏｒｒｕｇａｔｅｄ−Ｓｉｄｅｗａｌｌ  Ｉｎｔｅｒｂａｎｄ  Ｃａｓｃａｄｅ  Ｌａｓｅｒｓ  ｗｉｔｈ  Ｓｉｎｇｌｅ−Ｍｏｄｅ  Ｍｉｄｗａｖｅ−Ｉｎｆｒａｒｅｄ  Ｅｍｉｓｓｉｏｎ  ａｔ  Ｒｏｏｍ  Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，”Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．９５，２３１１０３（２００９）参照。
【００９７】
特定の実施形態、態様、及び特徴が説明及び例示されているが、本明細書で説明される本発明は、これらの実施形態、態様、及び特徴だけに限定されず、本明細書で説明され特許請求される基礎にある発明の精神及び範囲内のいずれかの及びすべての修正を考慮していることを当業者は容易に理解するであろう。本願は、本明細書で説明され特許請求される基礎にある発明の精神及び範囲内のいずれかの及びすべての修正を考慮しており、すべてのこのような修正及び代替的な実施形態は本開示の範囲及び精神内にあるとみなされる。
【図１Ａ】
2019519120.tif 000003
【図１Ｂ】
2019519120.tif 000004
【図２Ａ】
2019519120.tif 000005
【図２Ｂ】
2019519120.tif 000006
【図２Ｃ】
2019519120.tif 000007
【図２Ｄ】
2019519120.tif 000008
【図３Ａ】
2019519120.tif 000009
【図３Ｂ】
2019519120.tif 000010
【図３Ｃ】
2019519120.tif 000011
【図４Ａ】
2019519120.tif 000012
【図４Ｂ】
2019519120.tif 000013
【図５Ａ】
2019519120.tif 000014
【図５Ｂ】
2019519120.tif 000015
【国際調査報告】
2019519120.tif 000016
2019519120.tif 000017